Perspectives industrielles et technologie des procédés de la N-méthylpyrrolidone (NMP)

La N-méthylpyrrolidone (NMP) est un solvant aprotique qui se caractérise par une grande polarité, un point d'ébullition élevé, une faible viscosité, une faible volatilité et une grande stabilité thermique et chimique. En tant que solvant de haute performance, il est largement utilisé dans la production de batteries lithium-ion, la synthèse de polymères, les produits chimiques électroniques, les peintures isolantes et bien d'autres domaines.

Les sources de NMP peuvent être divisées en deux catégories : les NMP synthétiques et les NMP récupérés. Le NMP synthétique fait référence aux produits NMP obtenus par synthèse chimique. La voie de production industrielle consiste à produire des produits NMP par condensation du gamma-butyrolactone (GBL) et de la monométhylamine en tant que matières premières. La récupération des NMP désigne le recyclage des déchets liquides de NMP utilisés comme solvants après récupération et purification.

Le marché des NMP est énorme et en pleine expansion
Au cours des 5 à 10 dernières années, le développement rapide de l'industrie des batteries au lithium a entraîné une augmentation rapide de la consommation de NMP. En 2022, la consommation chinoise de NMP s'élèvera à environ 1,52 million de tonnes, dont 1,428 million de tonnes pour le secteur du lithium, ce qui représente environ 94,0% de la consommation totale de la Chine. Avec l'expansion continue du marché des véhicules à énergie nouvelle, la demande de batteries au lithium a également augmenté. La consommation chinoise de NMP devrait atteindre 3,44 millions de tonnes d'ici 2025. Entre 2022 et 2025, le taux de croissance annuel composé de la consommation sera d'environ 31,3%. Outre son utilisation dans le domaine des batteries lithium-ion, le NMP peut être utilisé comme liquide d'élimination des photorésistances et comme agent de nettoyage des panneaux d'affichage à semi-conducteur dans le domaine des produits chimiques électroniques. Dans la synthèse des polymères, il peut être utilisé comme solvant de réaction pour des polymères spéciaux tels que le para-aramide, le sulfure de polyphénylène (PPS) et le polyimide (PI).

Technologie de synthèse NMP
Pour la synthèse du NMP, la plupart des fabricants utilisent la déshydrogénation du 1,4-butanediol (BDO) pour produire du GBL, puis l'ammoniation et la condensation pour produire du NMP. Mitsubishi Chemical utilise l'hydrogénation de l'anhydride maléique pour produire du GBL, qui est ensuite ammoniaqué et condensé pour produire du NMP.
La production industrielle de NMP est réalisée plus tôt et le processus de production est mature. À l'heure actuelle, l'itinéraire technique industriel de la production de NMP dans le monde est principalement constitué de GBL et de NMP par condensation de monométhylamine. En fonction des différentes conditions de réaction, on peut distinguer la réaction non catalytique et la réaction catalytique, la première étant le processus de production utilisé par la plupart des entreprises de production.
La condensation sans catalyseur du GBL et de la monométhylamine NMP a été mise au point par E. path et al en 1936, et a été industrialisée pour la première fois par BASF en Allemagne et GAF aux États-Unis, ce qui constitue la technologie de production de NMP la plus couramment utilisée à l'heure actuelle. Étant donné que le processus de production de NMP non catalytique nécessite souvent une température et une pression élevées, un équipement important et une grande consommation d'énergie, l'utilisation de catalyseurs peut réduire les conditions de réaction et économiser de l'énergie. C'est pourquoi, ces dernières années, de nombreux chercheurs nationaux et étrangers ont commencé à s'intéresser au rôle des catalyseurs dans ce processus. En 2008, la chimie du poirier de Corée du Sud a adopté la technologie de synthèse catalytique par tamis moléculaire ZSM, qui permet de réduire les conditions de réaction dans une certaine mesure.

En Chine, Sinopec utilise le Cu-Zn-Cr-Zr comme catalyseur pour la déshydrogénation et l'amination du BDO afin de produire du NMP. Bien que le processus catalytique présente des avantages évidents, en raison de certains problèmes techniques (tels que la durée de vie du catalyseur, etc.), il y a peu d'applications industrielles à l'heure actuelle.

La production de NMP adopte un processus catalytique, et un nouveau catalyseur zéolithe ZSM composite à base de cérium et de terres rares, développé indépendamment par Maige Chemical, peut accélérer efficacement la vitesse en boucle fermée du NMH intermédiaire.

Le marché de la récupération et de la purification des NMP offre de larges perspectives
L'industrie des NMP n'a pas de barrière élevée à l'entrée, car l'industrie du lithium en aval continue à se développer, de plus en plus d'entreprises ont commencé à produire des NMP, et l'industrie devient de plus en plus importante. La plupart des NMP utilisés comme solvants peuvent être recyclés, ce qui permet de réaliser des économies et de réduire l'impact sur l'environnement. Selon les données de l'industrie, il faut 1 500 tonnes de NMP pour produire une batterie de 1GWh. Avec la croissance rapide de la production nationale de batteries d'énergie, le marché du recyclage et de la purification du NMP s'est rapidement développé. Depuis 2021, le marché de la récupération et de la purification du NMP a connu une croissance explosive et, la même année, un grand nombre de dispositifs de récupération et de purification du NMP ont été mis en place en Chine, avec une capacité de récupération annuelle totale de plus de 400 000 tonnes. Selon la tendance de la production de piles électriques en 2022, 825 000 tonnes de NMP devront être recyclées et purifiées tout au long de l'année, et la capacité de recyclage et de purification devrait dépasser un million de tonnes.
À l'heure actuelle, les véhicules à énergie nouvelle sont devenus la tendance principale du développement, la Chine est le plus grand marché de production et de consommation pour les véhicules à énergie nouvelle et les batteries d'alimentation, et l'on s'attend à ce qu'au cours des prochaines années, ils augmentent à un taux de 20% à 30% par an, la purification du recyclage du NMP a encore un bon potentiel de développement du marché.

Le recyclage des NMP se divise principalement en deux modes : d'une part, les utilisateurs de NMP se recyclent eux-mêmes pour former un cycle interne et, d'autre part, ils confient à des fabricants le soin de raffiner leurs produits ou achètent des produits NMP raffinés auprès de ces fabricants. Parmi les fabricants de NMP, il existe des entreprises spécialisées dans les produits synthétiques ou les produits recyclés, et d'autres qui possèdent à la fois des capacités de synthèse et de recyclage.

Technologie de recyclage des NMP
La technologie de récupération et de purification du NMP comprend la récupération et la purification de deux parties, la récupération des gaz résiduels du NMP. Actuellement, les principaux procédés de traitement sont les suivants : condensation + adsorption par roue en nid d'abeille, condensation + pulvérisation d'eau et pulvérisation d'eau en plusieurs étapes.

1. Condensation + processus d'adsorption : le gaz de queue du revêtement est d'abord refroidi, la majeure partie du NMP est collectée, puis le gaz de queue est traité selon la norme par le canal d'adsorption, et le gaz de queue désorbé est renvoyé à l'extrémité avant.
   2, procédé de pulvérisation d'eau : l'utilisation des caractéristiques hydrosolubles du NMP, l'absorption du NMP par l'eau, de sorte que les normes d'émission de gaz d'échappement soient respectées. Chaque procédé a son propre champ d'application, ses avantages et ses inconvénients, et doit être sélectionné en fonction de la situation réelle de la production et de l'expérience technique. Lorsque le NMP est transféré du gaz de queue à une solution aqueuse ou condensé dans un liquide, le liquide résiduaire du NMP se forme, et sa pureté ne répond souvent pas aux exigences de la production de batteries, et il doit être purifié davantage avant de pouvoir être réutilisé.

Technologie de purification des NMP
Les déchets liquides de NMP contiennent généralement du NMP, de l'eau, des amines et d'autres impuretés organiques, car le NMP de qualité batterie est directement utilisé pour la production d'électrodes, afin de maintenir la consistance de la batterie, la pureté de la récupération est très élevée.
À l'heure actuelle, le principal recyclage du NMP de qualité électronique adopte la technologie de rectification, la différence étant que le processus et la conception de l'équipement de base sont différents, et que la qualité du produit et le taux de récupération peuvent être atteints. Compte tenu du prix élevé et de la forte consommation de NMP, la tendance générale est de choisir un processus de purification de haute qualité, à haut rendement et à faible consommation.

En Chine, le système de purification des déchets liquides de NMP de Tianjin Zhongfu Environmental Protection adopte des technologies de base telles que la technologie de prétraitement, la technologie de distillation de précision, la filtration et l'adsorption de haute précision, l'optimisation du réseau de transfert de chaleur et d'autres technologies de renforcement des processus pour purifier le solvant NMP jusqu'au niveau de la batterie. Il est rapporté que Zhongfu Environmental Protection est l'une des premières entreprises à développer la technologie de purification du NMP, dès 2014, en coopération avec BYD pour effectuer la purification du solvant NMP et la recherche et le développement de la technologie d'utilisation des ressources et la transformation des résultats, le premier dans le pays à construire un dispositif de purification du solvant NMP, pour réaliser la réutilisation du NMP dans la purification de l'usine. Depuis lors, un certain nombre de projets de purification de solvant NMP ont été mis en œuvre, avec plus de 30 cas connexes. Elle a coopéré avec de nombreuses entreprises de premier plan dans l'industrie des batteries au lithium, telles que BYD, Yiwei Lithium Energy, Haichen New Energy, Bang Pu Cycle, et jouit d'une bonne réputation sur le marché dans le domaine de la purification du NMP.